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高速低端MOSFET驱动器FAN3XXX系列产品的特点与典型应用电路分析

2020年07月26日 11:45 次阅读

FAN3XXX系列是飞兆公司(FAIRCHILD)2007年10月推出的新产品,是一种高速低端MOSFET驱动器系列。该系列各种驱动器与PWM控制器及功率MOSFET组合可设计出各种高频、大功率开关电源。根据驱动器的通道数、输出电流大小,有不同的封装及型号,可满足各种开关电源的大小结构及不同输出功率的需要,如表1所示。

表1 FAN3XXX型号列表

高速低端MOSFET驱动器FAN3XXX系列产品的特点与典型应用电路分析

主要特点

FAN3XXX系列主要特点:

1 速度高

FAN3XXX在2.2nF负载时,输入90%到输出10%的时间小于35nS。在传播延迟上比很多竞争者要快。

2、 两通道间紧密匹配

FAN3224在4.7nF负载时,在两通道间的差别测量值小于0.5nS(典型值)。两通道并联时有极好的性能。

3、 输入结构

FAN3XXX系列有单输入驱动器及双输入驱动器,应用十分灵活。单输入结构如图1所示。例如FAN322X双驱动器,每一通道都有使能端(EN),另一输入端输入反相或同相逻辑。

图1 单输入结构

双输入结构如图2所示。同相工作时将IN-端接L,使用IN+输入;反相工作时将IN+接H,使用IN-输入。其真值表如表2所示。

图2 双输入结构

FAN3100用作同相驱动器时接法如图3所示,其输入及输出波形如图4所示。从图中可看出:在VDD低于欠压锁存(UVL0)阈值时,无输出,只有VDD大于欠压锁存阈值电压时才有输出。

图3 FAN3100做同相驱动器的接法

图4 FAN3100做同相驱动器的输入/输出波形

FAN3100用作反相驱动器时接法如图5所示,其输入及输出波形如图6所示。

4、 CMOS或TTL逻辑电压兼容

FAN3XXX系列的各型号的输入信号是CMOS或TTL逻辑电压兼容,使设计更容易。在TTL电压输入时,其高电压≥2.0V;低电压≤0.8V。CMOS输入阈值与VDD有关,高电压≈0.6VDD;低电压≈0.4VDD。

5 、封装尺寸小

在业界中FAN3XXX系列封装尺寸是最小的。2A驱动器采用2mm×2mm的MLP-6封装;4A驱动器采用3mm×3mm的MLP-8封装。另外,它也有SOLC及SOT标准封装。各种封装的尺寸如图7所示。

图7 FAN3XXX的封装

6、 工作电压范围宽,其VDD极限值为20V。

典型应用电路

FAN3XXX系列MOSFET驱动器与PWM控制器及功率MOSFET可以组成各种不同结构的开关电源。图8是一种采用2个FAN3100 MOSFET驱动器(IC1、IC2)及3个功率MOSFET(Q1~Q3)组成的隔离式DC/DC转换器电路(图中未画出PWM控制器,仅画出PWM控制器输出的PWM信号)。

在图8中,IC1的IN-接地组成同相驱动电路,输出的PWM信号经驱动器后驱动开关器Q1,Q1的负载是高频变压器T1的原边线圈,高频变压器副边得电。PWM控制器输出的PWM信号同时输入到高频变压器T2,经T2隔离后的PWM信号加到IC2的IN-端(IC2的IN+接地,组成反相驱动器),驱动器IC2的输出去控制变压器副边的MOSFET Q3(Q3作同步整流器)。

在T1副边上+下-时,Q2导通、Q3截止,电压经电感L1、COUT及负载供电,经Q2形成回路。在T1副边上-下+时,Q2截止,IC2输出的高电压使Q3导通。L1储存的能量向负载释放,经Q3形成回路,其工作状态如图9所示。这种同步整流的结构具有较高的转换效率。

图8仅画出驱动开关器Q1及驱动同步整流器Q3的部分电路。要输出电压稳定还需要将输出电压经光电耦合器隔离反馈到PWM控制器,改变输出脉冲宽度来调节输出电压,这部分电路未在图8中画出。

驱动器电流参数的选择

FAN3XXX系列低端MOSFET驱动器IC使用较方便、电路简单,在开关电源设计时主要是选择其电流参数。这里先介绍一下为什么MOSFET在工作时需要这样大的电流?

MOSFET是一种栅极电压控制漏极电流的器件,在低端MOSFET中以地为基准,其漏极电流ID由栅极电压VG大小来决定(或VGS大小来决定)。VGS越大,则ID越大,如图10C所示。这好像与电流没有关系。但在栅极电压建立的过程中,由于在栅极与源极之间存在极间电容CGS(如图10a所示),驱动器需要提供电流向CGS充电,充电电流为IGS(如图10b所示)。当要求MOSFET导通时间很快,则要求充电电流很大。同样,在MOSFET要求很快关断时,CGS上的电荷要很快通过驱动器放掉,也会形成很大的放电电流。CGS的容量越大、要求MOSFET的开关速度越高,则在导通及关断过程中的充、放电流越大,这种充放电电流可达几A。

在功率MOSFET选定后,在数据资料(data sheet)中可找到总的栅极电荷QG值,按QG=CGS×VDD,求出CGS值。为满足电源的高频开关要求,尽可能选择QG小的MOSFET,不仅可满足高频开关要求,并且使驱动器功耗也较小。CGS值与MOSFET的输出漏极电流ID大小及其耐压大小有关,一般为几十nC到一百多nC。

表3给出各种不同QG条件时,在不同驱动器电流时的开关时间。设计者可参照表3选择电流参数。

在开关电源设计时,最大的开关频率是确定的,则开关时间也确定。其次根据选定的开关器,确定其QG,则利用表3可确定需要多大电流的驱动器。

驱动器的电流参数也可用近似的计算方法来计算,其计算公式如下:

开关导通时(输出源电流),IDVR,SRC≥1.5(QG/tsw-on) (1)

开关关断时(输入沉电流),IDVR,SNK≥1.5(QG/tsw-off) (2)

式中,IDVR,SRC及IDVR,SNK是驱动器输出源电流或输入沉电流的电流中间值;QG是MOSFET的总栅极电荷(可从MOSFET资料中查到),1.5是实验测定的系数。

驱动器的功耗PDRIVE

驱动器的总功耗为每个驱动器功耗之和,每通道的功耗为:

PDRIVE=VDD×QG×fsw (3)

式中,VDD为驱动器的工作电压,QG为MOSFET的总栅极电荷,fSW为开关频率。

按上式计算出的功耗应小于该驱动器最大允许的功耗。

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